KR101376228B1 - 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서 - Google Patents

광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서에 관한 것으로, 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극의 출력 전압에 따라 흐르는 전류가 변화되는 트랜지스터(T2)를 포함하는 정전용량방식 지문 감지부; 지문의 유무에 의한 명암에 따라 의해 발생하는 포토 다이오드의 역방향 전류 차이로 인해 상기 트랜지스터(T2)에 흐르는 전류를 변화시키는 광학식 지문 감지부;를 포함하여 구성된다.

Description

광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서{FINGERPRINT SENSOR CAPABLE OF SENSING FINGERPRINT BY OPTICAL METHOD AND CAPACITIVE METHOD}
본 발명은 지문인식센서에 관한 것으로, 광학식과 정전용량방식으로 인체의 지문을 인식할 수 있는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 박막 트랜지스터를 이용한 정전용량방식 지문센서의 회로도이다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 종래의 박막 트랜지스터를 이용한 정전용량방식 지문센서는 능동 화소 구조를 사용하여 소스 팔로워(source follower: T2)가 화소 내에 포함되어 있어서, 지문에 따른 정전용량의 변화를 데이터 리드 아웃(data read-out) 라인을 통해 ADC(아날로그 디지털 변화회로)에서 전압의 변화로 인식하여 프리앰프(preamplifier) 없이 구동이 가능한 센서이다. 리셋(Reset)은 화소 내의 VDD 전압을 이용하기도 한다.
종래의 정전용량 지문센서에서는 주사신호를 이용하거나 별도의 정전용량 커플링(capacitive coupling)을 시켜주는 펄스전압(Vpulse)을 인가해서 한 프레임에 한번 T2의 게이트에 지문에 따라 서로 다른 전압이 걸리게 하여 T2를 통해 서로 다른 전류(current)가 흐르게 하는 방식이다. 이때, 게이트에 걸리는 전압은 지문에 의한 정전용량을
Figure 112013064386038-pat00001
, 펄스전압을
Figure 112013064386038-pat00002
라고 할 경우, 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식]
Figure 112013064386038-pat00003
Figure 112013064386038-pat00004
는 T2의 게이트에 걸리는 전압으로, 지문에 의해 생기는 정전용량
Figure 112013064386038-pat00005
에 따라 그 값이 달라지게 된다.
상기에서 살펴본 바와 같이 종래 기술에 따른 지문 센서는 지문에 의해 발생하는 정전용량방식만을 주로 사용하였으나, 다양한 방식으로 지문을 감지하는 구성은 제공하지 못하였다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광학식과 정전용량방식으로 인체의 지문을 인식할 수 있는 지문인식센서를 제공하여, 지문인식 상황에 맞춰 보다 적절하고 다양한 지문인식 환경을 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서는, 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극의 출력 전압에 따라 흐르는 전류가 변화되는 트랜지스터(T2)를 포함하는 정전용량방식 지문 감지부; 지문 자체의 유무에 의한 명암에 의해 발생하는 포토 다이오드의 역방향 전류의 차이로 인해 상기 트랜지스터(T2)에 흐르는 전류를 변화시키는 광학식 지문 감지부;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 정전용량방식 지문 감지부는, 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극; 게이트 전극에 게이트 신호의 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결되는 제1 트랜지스터(T1); 애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극과 연결되는 다이오드; 상기 다이오드의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결되는 커플링 캐패시터(C1);를 포함하고, 상기 트랜지스터(T2)는 게이트 전극이 상기 지문 감지 전극과, 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고, 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 광학식 지문 감지부는, 애노드 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결되는 포토 다이오드; 게이트 전극에 상기 포토 다이오드의 제어 신호가 인가되고, 소스 전극이 상기 트랜지스터(T2)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드의 캐소드 전극과 연결되는 제5 트랜지스터(T5); 상기 포토 다이오드의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결되는 포토다이오드 캐패시터(C2);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 정전용량방식 지문 감지부는, 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극; 게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결되는 제1 트랜지스터(T1); 애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극과 연결되는 다이오드; 상기 다이오드의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결되는 커플링 캐패시터(C1);를 포함하고, 상기 트랜지스터(T2)는, 게이트 전극이 상기 지문 감지 전극과 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고, 드레인 전극이 화소내의 전원 전압과 연결되도록 구성되고, 게이트 전극이 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 연결되고, 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 화소내의 전원 전압과 연결되는 제3 트랜지스터(T3); 게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극에 입력 신호가 인가되고, 드레인 전극에 상기 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극이 연결되는 제4 트랜지스터(T4);를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 애노드 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결되는 포토 다이오드; 게이트 전극에 상기 포토 다이오드의 제어 신호가 인가되고, 소스 전극이 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드의 캐소드 전극과 연결되는 제5 트랜지스터(T5); 상기 포토 다이오드의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결되는 포토다이오드 캐패시터(C2);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 트랜지스터(T1), 상기 트랜지스터(T2) 및 상기 제5 트랜지스터(T5)는, 활성층이 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 산화물 반도체 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 포토다이오드는 비정질 실리콘 포토다이오드, 유기물 광 센서 및 유기물 퀀텀닷 중에서 어느 하나로 구성된다.
본 발명에 따르면 광학식과 정전용량방식으로 인체의 지문을 인식할 수 있는 지문인식센서를 제공하여, 지문인식 상황에 맞춰 보다 적절하고 다양한 지문인식 환경을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 박막 트랜지스터를 이용한 정전용량방식 지문 센서의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
도 5 는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 정전용량방식의 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 지문인식센서의 정전용량방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학식 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 지문인식센서의 광학식 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
도 13은 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 정전용량방식의 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 지문인식센서의 정전용량방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 광학식 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 지문인식센서의 광학식 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 제1 실시예 및 제3 실시예에 따른 지문인식센서가 어레이로 구비되는 터치 패널을 도시한 도면이다.
도 20은 제2 실시예 및 제4 실시예에 따른 지문인식센서가 어레이로 구비되는 터치 패널을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서는 정전용량방식 지문 감지부와 광학식 지문 감지부를 포함하여 구성된다.
정전용량방식 지문 감지부는 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극의 출력 전압에 따라 흐르는 전류가 변화되는 트랜지스터(T2)를 포함하여 구성되며, 광학식 지문 감지부는 지문의 유무에 의한 명암에 의해 발생하는 포토다이오드의 역방향 전류의 차이로 인해 상기 트랜지스터(T2)에 흐르는 전류를 변화시킨다.
보다 상세하게 살펴보면, 정전용량방식 지문 감지부는 제1 트랜지스터(T1), 다이오드(131), 커플링 캐패시터(C1), 제2 트랜지스터(T2)를 포함하여 구성되며, 광학식 지문 감지부는 제5 트랜지스터(T5) 및 포토다이오드(180)를 포함하여 구성된다. 지문 감지 전극(110)은 인체의 지문을 감지한다.
제1 트랜지스터(T1)는 게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결된다.
다이오드(131)는 애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극(110)과 연결된다. 커플링 캐패시터(C1)는 상기 다이오드(131)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결된다.
제2 트랜지스터(T2)는 게이트 전극이 상기 지문 감지 전극(110)과 상기 다이오드(131)의 캐소드에 연결된다.
또한, 제2 트랜지스터(T2)는 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결된다.
이때, 제2 트랜지스터(T2)는 드레인 전극이 화소내의 전원 전압과 연결된다.
포토 다이오드(180)는 애노드 전극이 바이어스 라인과 연결되고, 캐소드 전극이 제5 트랜지스터(T5)의 드레인 전극와 연결된다.
이때, 포토 다이오드(180)는 도 3의 제1 실시예에서는 애노드 전극이 바이어스 라인과 연결되고, 도 4의 제2 실시예에서는 애노드 전극이 화소내의 전원 전압과 연결된다.
제5 트랜지스터(T5)는 게이트 전극에 상기 포토 다이오드(180)의 제어를 위한 신호가 인가된다.
제5 트랜지스터(T5)는 소스 전극이 상기 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드(180)의 캐소드 전극과 연결되고, 포토다이오드 캐패시터(C2)는 상기 포토 다이오드(180)의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결된다. 한편, 상기 제1 트랜지스터(T1), 제2 트랜지스터(T2), 제3 트랜지스터(T3), 제4 트랜지스터(T4) 및 제5 트랜지스터(T5)의 활성층은, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 산화물 반도체 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 구성된다.
또한, 상기 포토다이오드(180)는 비정질 실리콘 포토다이오드, 유기물 광 센서 또는 유기물 퀀텀닷으로 구성된다.
도 5 는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 정전용량방식의 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 지문인식센서의 정전용량방식을 설명하기 위한 도면이다.
이때, 상기 도 5는 트랜지스터가 p 타입일 경우의 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
이후부터는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 정전용량방식 구동 방법을 설명하기로 한다.
제1 트랜지스터(T1)의 n번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 제1 트랜지스터(T1)가 턴 온(turn on)된다.
도 7의 a 에 도시된 바와 같이, 커플링 펄스 라인에 일정한 주기로 고전압과 저전압이 반복되는 클록(clock)신호를 인가하면, 인가되는 커플링 펄스 전압이 고전압 일 때, 다이오드(131)가 동작하여 전류가 흐른다.
그에 따라, 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압은 고전압으로 셋업된다.
상기 커플링 펄스 전압이 저전압 일 때는 상기 다이오드(131)가 턴 오프(turn off) 상태가 되어 플로팅(floating)된 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 단자는 정전용량 커플링(capacitive coupling) 현상에 의해 저전압으로 떨어진다.
이때, 상기 정전용량 커플링(capacitive coupling)은 다음의 수학식 1에 의해 결정된다.
[수학식 1]
Figure 112013064386038-pat00006

이때, 상기 △Vg _ T2는 정전용량 커플링에 의한 제2 트랜지스터(T2)의 게이트의 전압 변화이고, 상기 △Vpulse는 인가되는 커플링 펄스 전압이다.
도 6에 도시된 바와 같이 보호층(101)의 일면에는 포토 다이오드(180)와 지문 감지 전극(110)이 구성되며, 지문(102)은 릿지(ridge)와 밸리(valley)에 따라 높이 차이가 있으므로 전극 형성되는 정전용량에 차이가 발생하며, 이때의 정전용량을 지문 캐패시턴스의 정전용량이라고 한다.
도 7의 b에 도시된 바와 같이 지문(102)의 릿지(ridge)와 밸리(valley)에 따라 제2 트랜지스터(T2)의 게이트에 전압의 차이가 발생하고, 데이터 라인을 통해 유입되어 제2 트랜지스터(T2)로 흐르는 전류가 그 전압의 차이만큼 달라지게 되어 지문을 감지해낼 수 있다.
이때, 정전용량방식으로 지문인식을 인식 할 때에는 바이어스 전압 또는 화소내의 전원전압이 인가되어도 상기 제5 트랜지스터(T5)는 턴 오프(turn off)되어 있는 상태이므로, 정전용량방식으로 지문인식을 할 때 영향을 받지 않는다.
도 8은 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학식 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이고, 도 9 및 도 10은 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 지문인식센서의 광학식 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이때, 상기 도 8은 트랜지스터가 p 타입일 경우의 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.이후부터는 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학식 구동 방법을 설명하기로 한다.
첫번째 프레임에 일정한 주기를 갖는 커플링 전압 펄스가 인가되고 커플링 펄스가 양의 전압이 인가될 때, 다이오드(130) 트랜지스터가 턴 온(turn on) 상태에 있게 되기 때문에 전류가 흐르고 그 결과 제 2 트랜지스터(T2) 의 게이트 전압은 양의 정전압으로 셋업된다. 이후, 제1 트랜지스터(T1)의 n번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 제1 트랜지스터(T1)가 턴 온(turn on)된다.
이후, 제5 트랜지스터(T5)가 턴 온 되어 상기 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전극에 셋업되어 있는 양의 정전압이 포토 다이오드(180)의 캐소드 전극에 인가된다.
이때, 도 3의 제1 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극은 바이어스 전압에 의해 음의 정전압이 인가되어, 도 4의 제2 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극은 화소내의 전원 전압에 의해 음의 정전압이 인가되어, 도 10의 c에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(180)의 양단 전압의 변화가 생기고, 포토 다이오드(180)에는 역방향 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 조건에 지문으로 인해 포토다이오드 상에 빛의 유무에 따라서 포토다이오드의 역방향 전류 차이가 발생되고 그 차이에 따라서 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압이 달라지게 되어 빛의 유무에 따라서 지문을 감지 해낼 수 있다. 이때 빛은 한 프레임 동안 센서에 조사되고, 한 프레임 동안 조사 된 빛은 포토 다이토드 캐패시터(C2)에 저장되어 전하량으로 변환된다. 즉, 빛에 의해서 저장되는 전하량의 차이에 따라서 포토다이오드에 흐르는 역방향 전류가 달라지므로 제 2트랜지스터 (T2) 의 게이트 전압은 빛의 유무에 따라 달라질 수 있다.
즉, 상기 조건과 같이 빛의 유무에 따라서 도 10의 b에 도시된 바와 같이, 제2 트랜지스터(T2)의 게이트에 전압의 차이가 발생하고, 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압의 차이로 인해서 제2 트랜지스터(T2)로 흐르는 전류의 차이가 발생되어그 달라지는 전류는 n 번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 on 됨에 따라서 데이터 라인을 통해 데이터를 읽을 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이고, 도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서의 회로도이다.
본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서는 정전용량방식 지문 감지부와 광학식 지문 감지부를 포함하여 구성된다.
정전용량방식 지문 감지부는 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극의 출력 전압에 따라 흐르는 전류가 변화되는 트랜지스터(T2)와 제3 트랜지스터(T3)를 포함하여 구성되며, 광학식 지문 감지부는 지문의 유무에 의한 명암에 의해 발생하는 포토다이오드의 역방향 전류의 차이로 인해서 상기 제3 트랜지스터(T3)에 흐르는 전류를 변화시킨다.
보다 상세하게 살펴보면, 정전용량방식 지문 감지부는 지문 감지 전극(110), 제1 트랜지스터(T1), 다이오드(131), 커플링 캐패시터(C1), 제2 트랜지스터(T2), 제3 트랜지스터(T3), 제4 트랜지스터(T4), 저장 커패시턴스(145)를 포함하여 구성되며, 광학식 지문 감지부는 제5 트랜지스터(T5), 포토 다이오드(180) 및 상기 포토 다이오드(180)의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결되는 포토다이오드 캐패시터(C2)를 포함하여 구성된다.
지문 감지 전극(110)은 인체의 지문을 감지한다.
제1 트랜지스터(T1)는 게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결된다.
다이오드(131)는 애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극(110)과 연결된다. 커플링 캐패시터(C1)는 상기 다이오드(131)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결된다.
제2 트랜지스터(T2)는 게이트 전극이 상기 지문 감지 전극(110)과 상기 다이오드(131)의 캐소드에 연결된다.
또한, 제2 트랜지스터(T2)는 드레인 전극이 화소내의 전원 전압과 연결된다.
제3 트랜지스터(T3)는 게이트 전극이 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 연결되고, 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 화소내의 전원 전압과 연결된다.
제4 트랜지스터(T4)는 게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극에 입력 신호가 인가되고, 드레인 전극에 상기 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극이 연결된다.
이때, 도 11의 제3 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극이 바이어스 라인과 연결되고, 도 12의 제4 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극이 화소내의 전원 전압과 연결된다.
제5 트랜지스터(T5)는 게이트 전극에 상기 포토 다이오드(180)의 제어 신호가 인가되고, 소스 전극이 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드(180)의 캐소드 전극과 연결된다.
한편, 상기 제1 트랜지스터(T1), 제2 트랜지스터(T2), 제3 트랜지스터(T3), 제4 트랜지스터(T4) 및 제5 트랜지스터(T5)의 활성층은, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 산화물 반도체 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 구성된다.
또한, 상기 포토다이오드(180)는 비정질 실리콘 포토다이오드, 유기물 광 센서 또는 유기물 퀀텀닷으로 구성된다.
도 13은 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 정전용량방식의 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이고, 도 14 및 도 15는 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 지문인식센서의 정전용량방식을 설명하기 위한 도면이다.
이때, 상기 도 13은 트랜지스터가 p 타입일 경우의 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
이후부터는 도 13 내지 도 15을 참조하여 본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 정전용량방식 구동 방법을 설명하기로 한다.
제4 트랜지스터(T4)의 n 번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 턴 온(turn on)되고, 도 15의 a에 도시된 바와 같이, 커플링 펄스 라인에 일정한 주기로 고전압과 저전압이 반복되는 클록(clock)신호를 인가하면, 인가되는 커플링 펄스 전압이 고전압 일 때, 다이오드(131)가 동작하여 전류가 흐른다.
그에 따라, 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압은 고전압으로 셋업된다.
커플링 펄스 전압이 저전압 일 때, 다이오드(131)는 턴 오프 상태에 있게 되고, 플로팅된 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압은 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 단자는 정전용량 커플링(capacitive coupling) 현상에 의해 저전압으로 떨어진다.
이때, 상기 정전용량 커플링(capacitive coupling)은 상기 수학식 1에 의해 결정된다.
도 14에 도시된 바와 같이 보호층(101)의 일면에는 포토 다이오드(180)와 지문 감지 전극(110)이 구성되며, 지문(102)은 릿지(ridge)와 밸리(valley)에 따라 높이 차이가 있고, 그에 따라 전극 형성되는 정전용량에 차이가 발생하며, 이때의 정전용량을 지문 캐패시턴스의 정전용량이라고 한다.
도 15의 b에 도시된 바와 같이 지문(102)의 릿지(ridge)와 밸리(valley)에 따라 제2 트랜지스터(T2)의 게이트에 전압의 차이가 발생하고
상기 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전압 차이가 발생하게 되면 흐르는 전류가 달라지게 되면, 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전압의 차이가 발생하고, 그에 따라 제3 트랜지스터(T3)로 흐르는 전류가 달라지게 되어 지문을 감지해낼 수 있다.
이때, 정전용량방식으로 지문인식을 인식 할 때에는 바이어스 전압 또는 화소내의 전원전압이 인가되어도 상기 제5 트랜지스터(T5)는 턴 오프되어 있는 상태이므로, 정전용량방식으로 지문인식을 할 때 영향을 받지 않는다. n+1 번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 온(on) 되면 제4 트랜지스터(T4)가 턴 온이 되고, 제4 트랜지스터(T4)를 통해 커플링 펄스 전압이 고전압 일 때에 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전압을 리셋 시킬 수 있다.
도 16은 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 광학식 구동을 위한 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이고, 도 17 및 도 18은 본 발명의 지문인식센서의 광학식 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이때, 상기 도 16은 트랜지스터가 p 타입일 경우의 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
이후부터는 도 16 내지 도 18를 참조하여 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학식 구동 방법을 설명하기로 한다.
빛은 한 프레임 동안 센서에 조사 되고, 상기 빛이 한프레임 동안 센서에 조사된 후 n 번째 게이트(gate) 라인에 전압이 인가되어 on 이 되고, 상기 한 프레임 동안 조사된 빛은 포토 다이오드 캐패시터에 저장되어 전하량으로 변환된다. 즉, 빛에 의해서 저장되는 전하량의 차이에 따라서 포토다이오드에 흐르는 역방향 전류가 달라지므로 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전압은 빛의 유무에 따라 달라지게 되어 지문을 감지 해 낼 수 있다.
도 18의 a에 도시된 바와 같이 커플링 펄스 라인에 일정한 양의 정전압을 인가하면, 제 4 트랜지스터를 통해서 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전압은 양의 전압으로 리셋되고, 동시에 다이오드(131)가 턴 온 상태에 있게 되어 도 18의 b에 도시된 바와 같이 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전극의 전압이 양의 정전압으로 셋업 된다.
상기 제2 트랜지스터(T2)의 게이트 전극의 전압이 양의 정전압으로 셋업되기 때문에 제2 트랜지스터(T2)가 턴 오프가 된다.
제1 트랜지스터(T1)의 제1 트랜지스터(T1)의 n번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 제1 트랜지스터(T1)가 턴 온(turn on)된 후에, 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극에 셋업 된 양의 정전압은 제5 트랜지스터(T5)가 턴 온 되어 포토 다이오드(180)의 캐소드 전극에 인가된다.
이때, 도 11의 제3 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극은 바이어스 전압에 의해 음의 정전압이 인가되어, 도 12의 제4 실시예에서는 포토 다이오드(180)의 애노드 전극은 화소내의 전원 전압에 의해 음의 정전압이 인가되어, 도 18의 d에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(180)의 양단 전압의 변화가 생기고, 포토 다이오드(180)에는 역방향 전류가 흐르게 된다.
즉, 지문으로 인한 빛의 유무에 따라서 T3의 게이트 전압의 차이로 인해서 제3 트랜지스터(T3)의 전류의 차이를 발생시키며, 그 달라지는 전류는 n 번째 게이트 라인에 전압이 인가되어 on 됨에 따라서 데이터 라인을 통해 데이터를 읽을 수 있다.
이와 같은 조건에서 지문이 상기 포토 다이오드(180)은 빛의 유무에 의해, 도 10의 c에 도시된 바와 같이, 제3 트랜지스터(T3)의 게이트에 전압의 차이가 발생하고, 데이터 라인을 통해 유입되어 제3 트랜지스터(T3)로 흐르는 전류가 그 전압의 차이만큼 달라지게 되어 지문 유무를 감지해낼 수 있다.
도 19는 제1 실시예 및 제3 실시예에 따른 지문인식센서가 어레이로 구비되는 지문인식센서패널을 도시한 도면이고, 도 20은 제2 실시예 및 제4 실시예에 따른 지문인식센서가 어레이로 구비되는 지문인식센서 패널을 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예 및 제3 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서(230)는 도 19에 도시된 바와 같이 터치 패널 상에 어레이(array) 형태로 배치되어 구성되어, 데이터 라인(210), 게이트 라인(220), 화소내의 전원 전압(240), 커플링 펄스 라인(250), EMI 라인(260) 및 바이어스 라인(270)과 연결된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예 및 제4 실시예에 따른 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서(230)는 도 20에 도시된 바와 같이 터치 패널 상에 어레이(array) 형태로 배치되어 구성되어, 데이터 라인(210), 게이트 라인(220), 화소내의 전원 전압(240), 커플링 펄스 라인(250) 및 EMI 라인(260)과 연결된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
T1: 제1 트랜지스터
T2: 제2 트랜지스터
T3: 제3 트랜지스터
T4: 제4 트랜지스터
T5: 제5 트랜지스터
C1: 커플링 캐패시터
110: 지문 감지 전극
131: 다이오드
145: 저장 커패시턴스
180: 포토 다이오드

Claims (7)

  1. 인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극의 출력 전압에 따라 흐르는 전류가 변화되는 트랜지스터(T2)를 포함하는 정전용량방식 지문 감지부;
    지문의 자체의 유무에 의한 명암에 의해 발생하는 포토 다이오드의 역방향 전류의 차이로 인해 상기 트랜지스터(T2)에 흐르는 전류를 변화시키는 광학식 지문 감지부;
    를 포함하는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전용량방식 지문 감지부는,
    인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극;
    게이트 전극에 게이트 신호의 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결되는 제1 트랜지스터(T1);
    애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극과 연결되는 다이오드;
    상기 다이오드의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결되는 커플링 캐패시터(C1);
    를 포함하고,
    상기 트랜지스터(T2)는,
    게이트 전극이 상기 지문 감지 전극과 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고, 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결되는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광학식 지문 감지부는,
    애노드 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결되는 포토 다이오드;
    게이트 전극에 상기 포토 다이오드의 제어 신호가 인가되고, 소스 전극이 상기 트랜지스터(T2)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드의 캐소드 전극과 연결되는 제5 트랜지스터(T5);
    상기 포토 다이오드의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결되는 포토다이오드 캐패시터(C2);
    를 포함하는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전용량방식 지문 감지부는,
    인체의 지문을 감지하는 지문 감지 전극;
    게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극이 데이터 라인과 연결되는 제1 트랜지스터(T1);
    애노드에 입력 신호가 인가되고 캐소드가 상기 지문 감지 전극과 연결되는 다이오드;
    상기 다이오드의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연결되는 커플링 캐패시터(C1);
    를 포함하고,
    상기 트랜지스터(T2)는,
    게이트 전극이 상기 지문 감지 전극과 상기 다이오드의 캐소드에 연결되고, 드레인 전극이 화소내의 전원 전압과 연결되도록 구성되고,
    게이트 전극이 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 연결되고, 소스 전극이 상기 제1 트랜지스터(T1)의 드레인 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 화소내의 전원 전압과 연결되는 제3 트랜지스터(T3);
    게이트 전극에 게이트 신호 전압이 인가되고, 소스 전극에 입력 신호가 인가되고, 드레인 전극에 상기 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극이 연결되는 제4 트랜지스터(T4);
    를 더 포함하는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    애노드 전극이 화소내의 전원 전압 또는 바이어스 라인과 연결되는 포토 다이오드;
    게이트 전극에 상기 포토 다이오드의 제어 신호가 인가되고, 소스 전극이 상기 제3 트랜지스터(T3)의 게이트 전극과 연결되고, 드레인 전극이 상기 포토 다이오드의 캐소드 전극과 연결되는 제5 트랜지스터(T5);
    상기 포토 다이오드의 애노드 전극과 캐소드 전극에 연결되는 포토다이오드 캐패시터(C2);
    를 포함하는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  6. 청구항 3 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터(T1), 상기 트랜지스터(T2) 및 상기 제5 트랜지스터(T5)는,
    활성층이 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 산화물 반도체 중에서 적어도 어느 하나를 이용하여 구성되는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
  7. 청구항 3 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는,
    비정질 실리콘 포토다이오드, 유기물 광 센서 및 유기물 퀀텀닷 중에서 어느 하나로 구성되는 광학식 및 정전용량방식으로 지문인식이 가능한 지문인식센서.
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